Mass Transfer Characteristics in the Osmotic Dehydration Process of Carrots

당근의 삼투건조시 물질이동 특성

Diffusion coefficients of moisture and solid, reaction rate constants of carotene destruction, and the fitness of drying models for moisture transfer were determined to study the characteristics of mass transfer during osmotic dehydration. Moisture loss and solid gain were increased with increase of temperature and concentration; temperature had higher osmotic effect than concentration. Diffusion coefficient showed similar trend with osmotic effect. Diffusion coefficients of solids were larger than those of moisture because the movement of solid was faster than that of moisture at the high temperature. Reaction rate constants were affected to the greater extent by concentration changes than by temperature changes. Arrhenius equation was applied to determine the effect of temperature on diffusion coefficients and reaction rate constants. Moisture diffusion required high activation energy in $20^{\circ}Brix$, while relatively low in $60^{\circ}Brix$. To predict the diffusion coefficients and reaction rate constants, a model was established by using the optimum functions of temperature and concentration. The model had high $R^2$ value when applied to diffusion coefficients, but low when applied to reaction rate constants. Quadratic drying model was most fittable to express moisture transfer during drying. In conclusion, moisture content of carrots could be predictable during the osmotic dehydration process, and thereby mass transfer characteristics could be determined by predicted moisture content and diffusion coefficient.

삼투건조시 물질이동 특성을 알아보기 위하여 수분과 용질의 이동을 확산식으로 평가하여 침지온도와 농도에 따른 영향을 조사하였으며 또한 품질변화 정도는 carotene 함량을 지표로 하여 반응속도식으로 구명하고자 하였으며 삼투공정시 수분의 이동을 기존의 건조모델로 표현하고자 적합도를 알아보았다. 수분손실이나 용질의 증가는 온도와 농도가 증가함에 따라 높은값을 보였으며 농도보다는 온도의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 확산계수 또한 고온과 고농도에서 높은 값을 가져 확산이 빠르게 일어남을 알 수 있었다. 고온에서는 수분 손실이 용질의 증가보다 높아 용질의 확산계수가 수분의 확산계수보다 높았으며, 품질변화를 나타내는 반응속도상수는 온도의 증가보다 농도의 증가에 따라 더 큰 값을 가져 고농도에서 파괴가 많이 일어남을 알 수 있었다. 확산계수와 품질변화 속도상수에 대한 온도의 영향을 알아보고자 Arrhenius 식에 적합시켜 본 결과 낮은 농도인 $20^{\circ}Brix$에서 확산에 많은 활성화에너지가 필요하고 고농도인 $60^{\circ}Brix$에서는 상대적으로 낮은 활성에너지로도 용질의 확산이 일어난다는 것을 알 수 있었고 활성화 에너지의 크기로 보아 수분의 이동은 $40^{\circ}Brix$에서, 용질의 이동은 $60^{\circ}Brix$에서 이동이 효과적으로 일어남을 알 수 있었다. 침지온도와 농도를 독립변수로 하여 확산계수와 반응속도상수를 예측하고자 각 독립 변수의 최적함수를 구하여 수립한 최적 함수 모델식과 polynomial 형태로 모델화 하였을 경우 수분이나 용질의 확산계수는 높은 적합도를 결정계수를 가지나 품질변화를 나타내는 반응속도강수는 다소 낮아 온도와 농도의 함수로 예측하기에는 미흡한 것으로 나타났다. 삼투건조 공정 중 수분의 이동을 시간의 함수로 표현하기 위한 가장 적합한 모델은 quadratic 모델의 $R^{2}$값이 침지온도와 농도에 관계없이 전반적으로 0.99 이상으로 나타나 다른 모델보다 더 높은 적용 가능성을 보였다. 따라서 quadratic 모델을 이용하여 삼투건조공정에서의 시간에 따른 수분함량을 예측할 수 있으며 확산계수와 아울러 물질이동 특성을 나타낼 수 있을 것으로 생각된다.